avaliação de sistema de controle digital para fornecer etanol

AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE DIGITAL PARA FORNECER ETANOL...
1
AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE
DIGITAL PARA FORNECER ETANOL COMO
COMBUSTÍVEL COMPLEMENTAR EM
MOTORES 4 TEMPOS DE IGNIÇÃO POR
COMPRESSÃO, FUNCIONANDO
COM BIODIESEL PARA
RECUPERAÇÃO DE POTÊNCIA
Gilberto Hirotsugu Azevedo Koike
Armando José Dal Bem
Virgolino de Oliveira S.A. Açúcar e Álcool, Fazenda Santo Antonio, s/n,
CEP 15800-000, Ariranha, SP, e-mail: [email protected]; [email protected]
Afonso Lopes
Depto. Engenharia Rural, UNESP, Via de Acesso Prof. Paulo Donato Castellane, s/n,
CEP 14884-900, Jaboticabal, SP, e-mail: [email protected]
Fabiano Tadeu Mathias Costa
Luís Carlos Passarini
Depto . Eng. Mecânica, EESC-USP, Avenida Trabalhador São-carlense, 400,
CEP 13566-590, São Carlos, SP, e-mail: [email protected]; [email protected]
Leônidas Hildebrand Júnior
Núcleo Design do Produto, Centro Universitário Belas Artes, Rua José Antonio
Coelho, 879, CEP 04011-062, São Paulo, SP, e-mail: [email protected]
Resumo
O presente trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da injeção de álcool hidratado na recuperação de potência de
motor funcionando com biodiesel. Para isso, é proposto um controlador digital. A validação foi feita utilizando um
motor diesel OM 924 LA alimentado com biodiesel etílico filtrado de soja. Os resultados mostraram que a injeção de
álcool hidratado corrigiu a redução de potência em decorrência do uso de biodiesel.
Palavras-chave: biodiesel, controlador digital, etanol.
Introdução
O desenvolvimento do motor diesel e a corrida dos
combustíveis renováveis caminham simultaneamente,
tecendo história de avanço tecnológico.
Rudolph Diesel (1858-1913) revolucionou as máquinas
da época. O referido inventor construiu uma máquina na
qual o ar é comprimido a tal grau que há elevação extrema
de temperatura. Quando o combustível é injetado na câmara
de combustão, é incendiado pela alta temperatura do ar,
expandindo-se e forçando o movimento do pistão. No
dia 27 de fevereiro de 1892, Diesel registrou uma patente
no Escritório de Registro de Patentes Imperial, na Alemanha.
Em um ano, foi concedida a Patente no 67207. Diesel mostrou
o referido motor na Feira de Exibição em Paris, na França,
em 1898. Essa máquina apresentava a visão do inventor
a respeito de combustíveis, pois foi abastecida com óleo
de amendoim. Pensou que a utilização de um combustível
de biomassa era o real futuro da máquina, porém, faltavalhe tecnologia para tanto (Yokayo, 2005).
No Brasil, desde a crise do petróleo da década de
1970, vêm-se discutindo alternativas energéticas em
substituição às de origem fóssil. Nesse sentido, foi criado
o Programa Nacional do Álcool (PROÁLCOOL), com o
objetivo de incentivar a produção e o consumo de álcool
como combustível no País.
Na corrente de política pública e combustível
alternativo, foi pensada a inserção do biodiesel na matriz
energética brasileira em 2004. O biodiesel é um
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2
KOIKE et al.
biocombustível com características físico-químicas
semelhantes ao diesel de petróleo, que pode ser produzido
a partir de óleos e de gorduras vegetais ou animais, por
meio do processo de transesterificação (Lopes, 2006).
A produção e o consumo de biodiesel no Brasil
foram determinados por meio das Medidas Provisórias
no 214 e 227, convertidas nas respectivas Leis no 11.097/
05 e 11.116/05. Essas medidas e seus desdobramentos
estão contidos no Programa Nacional de Produção e Uso
do Biodiesel (PNPB). As principais diretrizes do programa
são implantar modelos de energia sustentável, a partir
da produção e do uso do biodiesel, obtido de diversas
fontes oleaginosas, e promover a inclusão social, garantindo
preços competitivos, produto de qualidade e abastecimento.
De acordo com o PNPB, a partir de janeiro de 2006, seria
obrigatória a adição de 2% de biodiesel ao óleo diesel,
devendo esse percentual ser ampliado ao longo dos anos
(MCT, 2005).
A utilização de etanol substituindo parcialmente o
diesel em motores de ignição por compressão vem sendo
estudada desde o século passado. Chen et al. (1981)
injetaram etanol num motor turbo diesel de 4 cilindros,
em várias proporções e diferentes rotações e cargas.
Conseguiram leve melhora de eficiência em cargas altas
e pequena redução em cargas baixas. Efetuaram várias
tentativas para a utilização de álcool em motores de ciclo
diesel, como: emulsão de álcool com diesel; injeção de
álcool em conjunto com diesel por vaporização, carburação
ou injetor de combustível; injeção de álcool logo após o
diesel, no interior do cilindro; dentre outras. O método
selecionado foi a injeção direta do álcool por meio de um
atomizador.
Primeiro, os autores coletavam os dados utilizando
apenas diesel como combustível. Em seguida, substituíram
parcialmente o diesel por álcool, em quantidades crescentes,
e mantiveram a carga do motor. Verificaram que a quantidade
de álcool injetada, em cargas altas, estava limitada pela
capacidade do injetor e, em cargas baixas, pelo tempo de
ignição do combustível. Concluíram que a injeção de álcool
em conjunto com diesel é um método viável de utilizar
álcool em motores de ignição por compressão.
Heisey & Lestz (1981) também injetaram álcool num
motor do ciclo diesel. O combustível em questão foi
atomizado por um sistema pressurizado até 69 kPa (10
psi). O fluxo de álcool foi controlado, variando a pressão
de injeção do álcool. O ar foi desumificado por banho de
gelo e filtrado em carvão, sendo pressurizado a 138 kPa
(20 psi), tendo o fluxo controlado e a temperatura mantida
em 30°C. Os autores fizeram, também, testes com metanol,
para efeito de comparação. Por meio dos resultados
experimentais concluíram, dentre outras coisas, que: houve
pequenas melhorias de eficiência térmica em cargas altas;
a substituição por álcool, em termos de energia, foi possível
até 30%; não houve variações significativas de eficiência
térmica em função da pureza do álcool; não houve variações
Minerva, 6(1): 1-10
significativas de eficiência térmica em função do tipo de
álcool; a injeção de álcool vaporizado gerou atraso na
ignição, o qual aumentou em função da maior quantidade
de água contida no álcool. O atraso na ignição com metanol
foi maior que com etanol.
Broukhiyan & Lestz (1981) estudaram os efeitos
da injeção de álcool vaporizado num motor de ciclo diesel
sob várias condições de operação. Utilizaram, no estudo,
motor da marca Oldsmobile de 8 cilindros, com 5,7 litros
de cilindrada. O diesel foi fornecido sem nenhuma alteração
no sistema de alimentação, e o etanol foi atomizado. O
circuito de fornecimento de etanol foi pressurizado com
nitrogênio, e cada cilindro possuía seu próprio circuito
de vaporização de álcool. Concluíram que, em cargas mais
elevadas (1/2, 3/4 e plena carga), a injeção de álcool
vaporizado aumenta a eficiência térmica do motor. De
acordo com esses autores, a faixa satisfatória de operação
do motor foi aquela em que houve de 15% a 30% de
substituição de diesel por etanol, em termos de energia
contida no combustível.
Lestz (1984) injetou etanol em motor diesel e realizou
testes de eficiência térmica, de potência e de emissões.
Efetuou substituição energética de diesel por etanol,
levando em consideração o poder calorífico dos dois
combustíveis, concluindo que, em cargas elevadas (50%,
75% e 100%), a injeção de etanol aumentou a eficiência
térmica do motor.
Metodologia
O ensaio foi realizado no município de Catanduva,
Estado de São Paulo, nas dependências do concessionário
Pedro Monteleone Veículos e Motores Ltda., representante
da marca Mercedes Benz do Brasil.
A sequência de operações obedeceu à cronologia:
levantamento das curvas de torque, de potência e de
consumo específico a plena carga, utilizando diesel e
biodiesel de soja. Depois, injetou-se etanol hidratado
em paralelo com biodiesel até o motor atingir a potência
de quando movido a diesel. Os volumes de etanol foram
determinados em função da posição do acelerador, da
pressão do turbo e da rotação do motor, ajustando-se o
tempo da válvula injetora aberta/fechada para conseguir
essa vazão. Posteriormente, automatizou-se a injeção de
etanol, de acordo com os parâmetros levantados.
Nos testes, o motor sempre esteve conectado a
um aparelho de acompanhamento denominado “Star
Diagnose”, com a função de monitorar as medidas do
motor. As variáveis monitoradas foram pressão atmosférica,
pressão do turbo, temperatura de arrefecimento, temperatura
do combustível, temperatura do óleo lubrificante, temperatura
do ar, pressão e nível do óleo lubrificante, rotação de
trabalho e posição do pedal de aceleração. Além disso,
esse equipamento identifica defeitos e corrige parâmetros
necessários ao correto funcionamento do sistema eletrônico
de controle do motor.
AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE DIGITAL PARA FORNECER ETANOL...
Para o fornecimento do combustível suplementar
para o motor, quando movido a biodiesel, instalou-se o
conjunto para injeção de etanol hidratado.
O primeiro passo foi a escolha do local para a instalação
da válvula injetora de álcool. Colocou-se o equipamento
em questão logo após o resfriador de ar do motor, numa
posição que deixasse o jato de etanol bem centralizado
ao ser introduzido no motor.
Para a injeção de etanol, foram utilizados: um
conjunto de bomba de combustível marca Delphi, referência
06443402, com pressão de trabalho de até 6 bar; uma
válvula reguladora de pressão Bosch, referência 0 280
160 560, que pressuriza a linha de combustível em 3,0
kgf/cm2; um filtro de combustível marca Schuck, modelo
SK 109; e um tubo distribuidor de combustível utilizado
no Fiat Pálio, referência FIAT 46434655, e válvulas injetoras
Magnetti Marelli, referência IWP 058, de quatro orifícios.
É importante ressaltar que as quatro válvulas estavam
colocadas no tubo distribuidor de combustível, porém,
apenas um estava operante, porque a vazão foi suficiente
para abastecer o volume de álcool necessário ao
funcionamento do motor. O esquema do ensaio está
ilustrado na Figura 1.
Considerações Finais
Alguns parâmetros devem ser conhecidos para a
determinação de consumo específico. As densidades do
CEAIE
3
diesel, do biodiesel etílico de soja e do etanol hidratado
em g/cm3 foram medidas e convertidas para kg/L.
O valor energético em kcal/L para diesel, biodiesel
etílico de soja e etanol hidratado considerados foi,
respectivamente, de 10810 (Informações Técnicas sobre
Lubrificantes Shell, 1991); 9421 (Lopes, 2006) e 6650
(Informações Técnicas sobre Lubrificantes Shell, 1993).
Na Tabela 1 apresentam-se as densidades e os valores
energéticos dos três combustíveis.
Realizaram-se medições de potência e de consumo,
utilizando-se o óleo diesel como combustível, com o motor
a plena carga. Mediram-se, também, a pressão atmosférica,
a temperatura de bulbo úmido e a temperatura de bulbo
seco para realizar a correção de potência, e os valores
encontrados foram 95,5 kPa, 24ºC e 31ºC, respectivamente.
Efetuando-se as contas pela ISO 1585, o fator de correção
de potência é 1,060711 para essas condições. Os resultados
obtidos estão mostrados na Tabela 2.
Realizaram-se medições de potência e de consumo,
utilizando-se o biodiesel etílico de soja como combustível,
com o motor a plena carga. Mediram-se, também, a pressão
atmosférica, a temperatura de bulbo úmido e a temperatura
de bulbo seco para realizar a correção de potência, e os
valores encontrados foram 95,5 kPa, 23ºC e 30ºC,
respectivamente. Efetuando-se as contas pela ISO 1585,
o fator de correção de potência é 1,055691 para essas
condições. Os resultados estão na Tabela 3.
Válvula
injetora
Intercooler
Etanol
Sensor de
pressão absoluta
Dinamômetro
Motor
Sensor de
rotação
Sensor de
aceleração
Diesel/biodiesel
Star
diagnosis
Turbo
Admissão de ar
Gases
queimados
Figura 1 Sistema montado para a realização do experimento.
Minerva, 6(1): 1-10
4
KOIKE et al.
Tabela 1 Densidades e valores energéticos dos combustíveis utilizados.
Diesel
Biodiesel de soja
Etanol hidratado
Densidade (kg/L)
0,8559
0,8710
0,8123
Valor energético (kJ/L)
45294
39474
27864
Valor energético (kJ/kg)
52920
45321
34302
Tabela 2 Medição de torque utilizando diesel como combustível.
Tabela 3 Resultados do ensaio utilizando biodiesel etílico de soja.
Minerva, 6(1): 1-10
AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE DIGITAL PARA FORNECER ETANOL...
Isso ocorre em virtude do menor poder calorífico do biodiesel
de soja.
Realizou-se injeção de álcool em paralelo com o
biodiesel de soja para que o motor atingisse, nas mesmas
faixas de carga e de rotação, o mesmo torque quando
movido a diesel. Mediram-se, também, a pressão atmosférica,
a temperatura de bulbo úmido e a temperatura de bulbo
seco para realizar a correção de potência, e os valores
encontrados foram 95,5 kPa, 24ºC e 31ºC, respectivamente.
Efetuando-se as contas pela ISO 1585, o fator de correção
de potência é 1,060711 para essas condições. Os resultados
estão apresentados na Tabela 4.
Diesel
150
125
Biodiesel
100
75
50
25
Variação
0
–25 1.000 1.100 1.300 1.500 1.700 1.900 2.000 2.200 2.300 2.400 2.500
Rotação (rpm)
100
80
60
40
20
0
–20
Variação (%)
Potência (kW)
Na Figura 2 apresenta-se a potência obtida tendo
diesel e depois biodiesel como combustível.
Quando o motor está funcionando com biodiesel,
a potência é menor em todas as rotações (a plena carga),
comparado ao diesel. Isso é explicado pelo menor poder
calorífico do biodiesel em comparação com o diesel
(considerando-se que não houve ajustes no sistema de
injeção).
Na Figura 3 compara-se o consumo específico obtido
tendo diesel e depois biodiesel como combustível, no
teste a plena carga. Nesse caso, o consumo específico do
biodiesel é maior que o do diesel em todas as rotações.
5
400
350
300
250
200
150
100
50
0
100
Biodiesel
Diesel
Variação
1.000 1.100 1.300 1.500 1.700 1.900 2.000 2.200 2.300 2.400 2.500
Rotação (rpm)
80
60
40
20
Variação (%)
Consumo específico
(g/kWh)
Figura 2 Comparação de potências do motor movido a diesel e a biodiesel.
0
Figura 3 Comparação dos consumos específicos do motor movido a diesel e a biodiesel.
Tabela 4 Consumo na adição de etanol hidratado em conjunto com biodiesel de soja.
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6
KOIKE et al.
Consumo de etanol (kg/h)
Independentemente da rotação, o consumo de etanol
foi constante para cada torque que deverá ser acrescentado
ao motor. Os valores repetidos foram 4 e 7 kgf, e os volumes
de etanol necessários para produzir essa força foram 0,50
e 0,80 g/s, respectivamente. Isso ocorre porque o motor
trabalha com mistura pobre, em todas as faixas de rotação,
na carga testada. O etanol hidratado é completamente
consumido nessa situação. Observou-se, também, que a
relação entre o torque pretendido e o consumo de etanol
é linear.
Na Figura 4, apresenta-se a relação entre consumo
de etanol (kg/h) e torque (kgf) .
Os parâmetros utilizados para a determinação do
funcionamento do controlador foram posição do acelerador,
rotação e pressão do turbo. Como o teste foi efetuado a
plena carga, não se variou a posição do acelerador.
Efetuaram-se medições de pressão de turbo a plena carga
em função da rotação, utilizando-se diesel como combustível.
Os resultados estão apresentados na Tabela 5.
Efetuou-se o teste do controlador de injeção de
etanol em conjunto com biodiesel a plena carga. Mediram-
se, também, a pressão atmosférica, a temperatura de bulbo
úmido e a temperatura de bulbo seco para realizar correção
de potência, e os valores encontrados foram 95,5 kPa,
24ºC e 31ºC, respectivamente. Efetuando-se as contas
pela NBR 1585, o fator de correção de potência é 1,060711
para essas condições. Os resultados obtidos estão
apresentados na Tabela 6.
O gráfico do torque lido em função da rotação é
apresentado na Figura 5.
O gráfico da potência corrigida em função da rotação
é apresentado na Figura 6.
O gráfico do consumo específico em função da
rotação é apresentado na Figura 7.
Na Tabela 7 apresenta-se a potência corrigida encontrada quando o motor foi movido a biodiesel de soja com
injeção suplementar de etanol hidratado, equipado com o
controlador automático de injeção de álcool, com as mesmas
condições de funcionamento quando utilizando diesel.
As potências foram semelhantes e mostraram que
o controlador automático de injeção de álcool funcionou
corretamente.
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Torque pretendido (kgf)
8
9
10
Figura 4 Consumo de etanol (kg/h) x torque (kgf).
Tabela 5 Medição da pressão de turbo em função da rotação.
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11
AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE DIGITAL PARA FORNECER ETANOL...
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Torque (Nm)
Tabela 6 Medição de torque e de consumo utilizando injeção de etanol hidratado em
conjunto com biodiesel etílico de soja como combustível.
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600
Rotação (rpm)
Figura 5 Torque em função da rotação.
160
Potência (kW)
140
120
100
80
60
40
20
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600
Rotação (rpm)
Figura 6 Potência em função da rotação.
Minerva, 6(1): 1-10
KOIKE et al.
Consumo específico (g/kWh)
8
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600
Rotação (rpm)
Figura 7 Consumo específico em função da rotação.
Tabela 7 Comparação de potência do motor utilizando diesel e injeção de álcool pelo controlador em conjunto com biodiesel.
Na Figura 8 apresenta-se a potência obtida tendo
biodiesel e depois injeção de álcool em conjunto com
biodiesel como combustível.
O gráfico da Figura 9 compara o consumo específico
obtido tendo diesel e depois biodiesel como combustível,
no teste a plena carga.
Nesse caso, o consumo específico de biodiesel em
conjunto com álcool é maior que o de diesel em todas as
rotações. Isso se deve ao maior poder calorífico do diesel
em relação ao etanol hidratado e ao biodiesel de soja.
Efetuou-se a comparação de consumo levando-se
em consideração a quantidade energética em cada
combustível utilizado.
O cálculo é efetuado tomando-se o poder energético
em kcal/L e dividindo-se pela densidade em kg/L. Com
isso, consegue-se o valor energético do combustível,
em kcal/kg. Efetuando-se a conversão de kcal para kJ,
multiplicando-se pelo consumo horário em kg e dividindo-
Minerva, 6(1): 1-10
se pela potência do motor em kW, consegue-se o consumo
energético em kJ/kWh.
Os resultados encontrados estão apresentados na
Tabela 8. Outra maneira de mostrar os resultados é por
meio do gráfico representado na Figura 10.
Em baixas rotações, nas condições testadas, até
1000 rpm, o melhor consumo energético foi do diesel.
Após essa rotação e até 1800 rpm, o biodiesel de soja
detém o melhor consumo energético. Em rotações mais
elevadas, de 1800 a 2500 rpm, a injeção de etanol hidratado,
em conjunto com biodiesel de soja, passa a ser mais vantajosa,
em termos energéticos, para esse motor.
Como o motor é controlado eletronicamente e não
foi possível alterar a configuração original, entende-se
que, em baixas rotações, a correção automática foi realizada
de modo mais eficiente. Além disso, a perda de potência
não foi proporcional à perda de energia dos combustíveis
testados, em comparação com o diesel.
AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE DIGITAL PARA FORNECER ETANOL...
175
150
125
100
75
50
25
0
Com o aumento da rotação e o aumento no consumo
horário de combustível, no caso da injeção de etanol
em conjunto com biodiesel, diminuiu a temperatura de
combustão.
O motor de ignição por compressão teve leve
redução de potência e maior consumo específico quando
funcionou com biodiesel de soja.
30
Etanol + biodiesel
Diesel
20
10
Variação
1.000 1.100 1.300 1.500 1.700 1.900 2.000 2.200 2.300 2.400 2.500
Rotação (rpm)
Variação (%)
Potência (kW)
O resultado obtido confirma as afirmações de Chen
et al. (1981), que obtiveram melhora de eficiência, e Heisey
& Lestz (1981), que conseguiram pequenas melhorias de
eficiência térmica, sempre em cargas altas. Ratifica, também,
o estudo de Broukhiyan & Lestz (1981), de que a injeção
de álcool vaporizado aumenta a eficiência térmica do motor
em cargas mais elevadas.
9
0
400
350
300
250
200
150
100
50
0
100
Etanol + biodiesel
Diesel
Variação
1.000 1.100 1.300 1.500 1.700 1.900 2.000 2.200 2.300 2.400 2.500
Rotação (rpm)
80
60
40
20
Variação (%)
Consumo específico
(g/kWh)
Figura 8 Comparação de potências do motor movido a biodiesel e injeção de etanol em conjunto com biodiesel.
0
Figura 9 Comparação de consumos específicos do motor funcionando a biodiesel e álcool em conjunto com biodiesel.
Tabela 8 Comparação de consumo energético (kJ/kWh), em função da rotação do motor (rpm), utilizando-se o diesel, o
biodiesel de soja e injeção de etanol hidratado em conjunto com biodiesel de soja como combustíveis.
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10
KOIKE et al.
Consumo energético (kJ/kWh)
18.000
17.000
Biodiesel
16.000
15.000
14.000
13.000
12.000
Diesel
Etanol + biodiesel
11.000
10.000
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600
Rotação (rpm)
Figura 10 Consumo energético (kJ/kWh) com diesel, com biodiesel de soja e com injeção de etanol
em conjunto com biodiesel de soja..
A injeção suplementar de álcool corrigiu a redução
de potência em decorrência do uso de biodiesel.
O controlador eletrônico para injeção suplementar
de álcool proposto funcionou a contento, contudo, necessita
ser aprimorado para utilização em escala. Dentre os
aprimoramentos necessários estão o uso em todas as
faixas de aceleração, com as respectivas medições de
potência e de torque, e maior número de horas de teste
para avaliação dos componentes eletrônicos.
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